کامپوزیت های کاربردی در مهندسی عمران

برخی کامپوزیت های کاربردی در مهندسی عمران

  1. پلاستیک های تقویت شده با فیبر (FRP) : پانل، میلگرد ها، لوله ها، ستون ها
  2. بتن مسلح
  3. تیرها و پانل های مشبک برای تحمل نیرو
  4. خرپاها
  5. ستون ها و پایه ها برای تحمل نیروهای عمودی
  6. ETFE
  7. نانو کامپوزیت های ساختمانی

 

  • میلگردهای کامپوزیتی (FRP)

میلگردهای کامپوزیتی، از دسته کامپوزیت های زمینه پلیمری بوده که با الیاف لایه ای تقویت شده اند. این میلگردها از جمله مواد غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی بوده که در کنار خواص مهمی مانند استحکام کششی زیاد، از آنها به عنوان آرماتور استفاده می کنند. این میلگردها در تقویت پل های بتنی در مناطق سرد سیر کاربرد دارد.

به دلیل استفاده از نمک برای جلوگیری از یخ زدگی جاده ها، شرایط برای خوردگی میلگردهای فلزی بکار رفته در پل ها فراهم می شود. به همین دلیل میلگردهای کامپوزیتی به عنوان یک جایگزین خوب آرماتور های فولادی در بتن پیشنهاد شده اند. از این رو آرماتورهای کامپوزیتی به میزان وسیعی در ساخت ساختمان به ویژه احداث بناهای ساحلی بکار می رود.

FRP

  • انواع میلگردهای کامپوزیتی در صنعت ساختمان

۱٫ GFRP

۲٫ CFRP

۳٫ AFRP

از آنجایی که این میلگردها، مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبر و رزین مورد استفاده، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن، نقش اصلی در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.

برخی از مزایای میلگردهای کامپوزیتی به صورت زیر دسته بندی می شود:

 ۱- مقاومت کششی بیشتر از فولاد

 ۲- یک چهارم وزن آرماتور فولادی

 ۳- عدم تاثیر در میدان های مغناطیسی و فرکانس های رادیویی

 ۴- عدم هدایت الکتریکی و حرارتی

با توجه به موارد ذکر شده، این میلگردها به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی، سازه پارکینگ ها، عرشه پل ها، ساخت بزرگراه هایی در مناطقی که تحت تاثیر عوامل محیطی و آب و هوایی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدان های مغناطیسی حساسیت زیادی دارند، پیشنهاد می کند.

  • بتن مسلح

بتن ساخته شده از سیمان پرتلند، محصولی شکننده با مقاومت کششی بسیار پایین است. چنانچه فولاد و بتن در کنار هم قرار بگیرند خواص مناسبی حاصل می شود چرا که بتن در تحمل تنش های فشاری و فولاد در تحمل تنش های کششی مناسب عمل می کنند. در واقع لایه های بتنی، فولاد را در برابر خم شدن محافظت کرده و نیز بتن، از خوردگی و آتش گرفتن فولاد حفاظت می کند. بتن های تقویت شده با فولاد ساختاری داکتیل و منعطف تر نسبت به بتن تقویت نشده دارند.

برخی ویژگی های بتن

  • بدون شکل و فرم
  • حمل و نقل آسان
  • مقاوم در برابر حرارت
  • حساس در برابر نیروهای کششی

برخی ویژگی های فولاد

  • استحکام بالا
  • تنوع شکل مانند؛ میلگرد، تیر، نبشی و موارد دیگر
  • مقاومت پایین در برابر آتش سوزی
  • لزوم بکارگیری نیروهای متخصص در تولید آن

با تلفیق این دو ماده با هم، بتن مسلح با خواصی بهتر از هر کدام از اجزا، بدست می آید. شایان ذکر است که در نواحی ساحلی و مناطقی که رطوبت بالایی دارند، میلگردهای فولادی در معرض خوردگی قرار گرفته و زنگ می زنند. این امر مقاومت کششی بتن را پایین می آورد. برای رفع این نقیصه، توصیه می شود که در مناطق مرطوب از بتن مسلح شده با الیاف غیر فلزی استفاده شود.

الیاف کربنی از جمله این جایگزین هاست. قدرت، استحکام و مقاومت الیاف کربن، ده برابر بیشتر از فولاد است و در عین حال وزن آن نیز ۵ برابر سبک تر از فولاد خواهد بود. بافت داخلی الیاف کربن به گونه ای است که در حفظ انرژی داخلی ساختمان بسیار موثر عمل کرده و همچنین در جذب ذرات گرمایشی محیط، نقش موثری را ایفا خواهد کرد.

  • تیرها و پانل های کامپوزیتی

تیرها و پانل های کامپوزیتی با زمینه پلیمری به عنوان مصالح صنعت ساختمان از قدرت، استحکام، سبکی، قابلیت چرخش و جابجایی مناسبی برخوردار بوده و می توانند در جذب انرژی های داخلی ساختمان، نقش چشمگیری ایفا کنند. چنانچه این اجزا با ترکیب استاندارد و صحیح ساخته شوند، می توانند به عنوان یکی از مستحکم ترین مصالح ساختمانی مطرح گشته و به راحتی جایگزین مصالحی چون فولاد، بتن و چوب در پروژه های مختلف می شوند.

همچنین پانل های کامپوزیتی در برابر طوفان، باد و نفوذ حشرات خطرناک به داخل ساختمان مقاوم هستند. جلوگیری از ایجاد شکاف و تیرگی در دیواره خانه های پیش ساخته، از سایر مزیت های این پانل های کامپوزیتی است.

  • خرپا

سازه ای است که از واحدهای مثلثی شکل تشکیل شده است. این سازه توانایی تحمل نیروی های کششی و فشاری را داشته و بسته به آنکه از چه موادی ساخته شده باشد، طول عمر متفاوتی خواهد داشت. خرپاهایی که از اجزای کامپوزیتی ساخته شده باشند، طول عمر بالایی داشته و سبک وزن می باشند. به همین دلیل در مصارف ساختمانی و ساخت اتاق های پیش ساخته و سقف های کاذب مورد استفاده قرار می گیرند.

  • ستون های کامپوزیتی

ستون های کامپوزیتی با زمینه پلیمر یا بتنی در این دسته قرار دارند. در شکل زیر سطح مقطع چند ستون بتی مسلح شده با فولاد نشان داده شده است.   

  • ETFE

یک پلیمر پایه فلوئوروکربن با دوام است که از آن به عنوان مصالح ساختمانی کاربردی در آینده نام برده می شود. این کامپوزیت پلیمری، یک پلاستیک شفاف تفلونی است که جایگزین شیشه و پلاستیک های معمولی در بسیاری از ساختمان ها می شود. از جمله ویژگی های این کامپوزیت می توان به وزن بسیار کم آن اشاره کرد، به طوری که با دارا بودن یک درصد وزن شیشه، هم نور بیشتری را از خود عبور می دهد و هم عایق بهتری محسوب می گردد. از دیگر ویژگی های آن می توان به دارا بودن حالت ارتجاعی اشاره کرد که این قابلیت توانایی تحمل وزنی معادل ۴۰۰ برابر وزن خود کامپوزیت را به آن می دهد. به دلیل سطوح کربنی این محصول، گرد و غبار و لکه بطور خودکار از سطح آن پاک می شود. این کامپوزیت طول عمر بالایی داشته و قابل بازیافت است.

  • نانو کامپوزیت های ساختمانی

در این دسته از کامپوزیت ها، فاز تقویت کننده کمتر از ۱۰۰ نانومتر می باشند. از جمله این مواد تقویت کننده نانو سیلیس آمورف بوده که به عنوان عامل چسبنده به بتن های با عملکرد بالا افزوده می شود. هم چنین نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند به طوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل کرده و در آینده جایگزین الیاف کربنی شوند که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند.

به طور کلی، دلیل بالا بودن عمر کامپوزیت ها، خواص غیر کشسان آنهاست، در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا می نمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه خواهند بود.  


منابع
گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
R.P. Johnson, Composite Structures of Steel and Concrete, Ed3, Blackwell
P.C. Pandey,Civil Engineering, Department of Civil Engineering, IISc Bangalore
Composite Materials Handbook, Vol 2
Aurel Blaga, GRP Composite Materials in Construction: Properties, Application and Durability, Industrialization Forum, National Research Council, Vol 9, 1978
L.C. Bank, T.R. Gentry, B.P. Thompson, J.S. Russell, A Model Specification for FRP Composites Engineering Structures, Construction and Building Materials, Vol 17, pp: 405-437, 2003
www.irananotech.com
www.omran-ag.ir
www.ezinearticles.com
صفحه مهندسی مواد و متالورژی
مجله علمی ویکی پی جی